DE102012218616A1

DE102012218616A1 - Verfahren und Bestimmungsvorrichtung zum Bestimmen eines Zustandes einer Anode und/oder einer Kathode eines elektrochemischen Energiespeichers

Info

Publication number: DE102012218616A1
Application number: DE201210218616
Authority: DE
Inventors: Joerg Ziegler; Elke Krauss; Barbara Stiaszny
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2012-10-12
Filing date: 2012-10-12
Publication date: 2014-04-30
Also published as: CN103795108A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren (200) zum Bestimmen eines Zustandes einer Anode (125) und/oder einer Kathode (127) eines elektrochemischen Energiespeichers (110). Das Verfahren (200) umfasst einen Schritt des Einlesens (210) zumindest eines erfassten Impedanzwertes (142) der Kathode (127) des elektrochemischen Energiespeichers (110) und/oder zumindest eines Impedanzwertes (142) der Anode (125) des elektrochemischen Energiespeichers (110), wobei der eingelesene Impedanzwert (142) unter Verwendung der Referenzelektrode (135) bestimmt wurde, die sich von der Anode (125) und der Kathode (127) des elektrochemischen Energiespeichers (110) unterscheidet. Weiterhin umfasst das Verfahren (200) einen Schritt des Ermittelns (220) eines Zustandes (150) der Anode (125) und/oder der Kathode (127) unter Verwendung des zumindest einen Impedanzwertes (142).

Description

Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Bestimmen eines Zustandes einer Anode und/oder einer Kathode eines elektrochemischen Energiespeichers, auf eine entsprechende Bestimmungsvorrichtung sowie auf ein entsprechendes Computerprogrammprodukt.
Li-Ionen-Zellen sind elektrochemische Energiespeicher mit hoher spezifischer Energie und spezifischer Leistung. Sie werden beispielsweise in Handys, Laptops, Elektrowerkzeugen und in Zukunft auch verstärkt als Traktionsbatterie in Fahrzeugen eingesetzt. Die Akkumulatoren erfahren über Lebensdauer eine Alterung, sowohl während des Betriebs der Batterie als auch bei Nichtbetrieb (sog. kalendarische Alterung). Um den SOH (SOH = State of health = „Gesundheitszustand“) der Batterie zuverlässig zu bestimmen sind Verfahren sinnvoll, die optimalerweise „On-Board“ durchgeführt werden können. Typischerweise werden bisher Messungen des Gleichstrominnenwiderstands und der Kapazität sowie der Ruhespannungskennlinie an derartigen Energiespeichern durchgeführt. Diese Messungen liefern jedoch nur unzureichende Erkenntnisse für eine Lebensdauervorhersage und können auch nicht zum Einleiten von Maßnahmen verwendet werden, um die Lebensdauer der Zellen zu verlängern.
Die DE 10 2004 024 973 A1 beschreibt ein Verfahren zur getakteten Stromentnahme aus einer elektrischen Energiequelle.
Offenbarung der Erfindung
Vor diesem Hintergrund wird mit der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Bestimmen eines Zustandes einer Anode und/oder einer Kathode eines elektrochemischen Energiespeichers, weiterhin eine Bestimmungsvorrichtung sowie schließlich ein entsprechendes Computerprogrammprodukt gemäß den Hauptansprüchen vorgestellt. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
Es wird ein Verfahren zum Bestimmen eines Zustandes einer Anode und/oder einer Kathode eines elektrochemischen Energiespeichers vorgestellt, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:

– Einlesen zumindest eines erfassten Impedanzwertes der Kathode des elektrochemischen Energiespeichers und/oder zumindest eines erfassten Impedanzwertes der Anode des elektrochemischen Energiespeichers, wobei der eingelesene Impedanzwert unter Verwendung der Referenzelektrode bestimmt wurde, die sich von der Anode und der Kathode des elektrochemischen Energiespeichers unterscheidet; und
– Ermitteln eines Zustandes der Anode und/oder der Kathode unter Verwendung des Impedanzwertes.

Unter einem elektrochemischen Energiespeicher kann ein Energiespeicher verstanden werden, der chemische Energie in elektrische Energie umwandeln kann. Beispielsweise kann es sich bei diesem elektrochemischen Energiespeicher um eine Batterie oder einen Akkumulator (Akku) handeln. Unter einem Impedanzwert kann ein Wert einer erfassten elektrischen Impedanz der Katode oder der Anode verstanden werden. Unter einer Impedanz kann hierbei allgemein ein Verhältnis zwischen einer Spannung und einem Strom zwischen denjenigen Kontaktstellen verstanden werden, zwischen denen die Impedanz erfasst wird. Insbesondere unter einer Impedanz ein komplexer (elektrischer) Widerstand verstanden werden, der zwischen den Kontaktstellen anliegt, zwischen denen die Messung der Impedanz, günstigerweise unter Verwendung einer Messgröße mit einer vorbestimmten Frequenz, erfolgt. Unter einem Zustand der Anode und/oder der Kathode kann beispielsweise ein Alter, ein Korrosionszustand, ein Grad der Bedeckung der Anode und/oder der Kathode mit einem Ablagerungsmaterial oder ein anderer Zustand der Anode und/oder der Kathode verstanden werden, der einen Stromfluss oder eine Größe eines solchen Stromflusses aus dem elektrochemischen Energiespeicher heraus oder in den elektrochemischen Energiespeicher hinein beeinflusst.
Der hier vorgeschlagene Ansatz basiert auf der Erkenntnis, dass der Zustand der Anode und/oder der Kathode sehr genau bestimmt werden kann, wenn eine zusätzliche Referenzelektrode verwendet wird und auf der Basis dieser Impedanz schließlich der Zustand der Anode und/oder der Kathode ermittelt wird. Die Referenzelektrode wird stromlos betrieben und ermöglicht so eine exakte Bestimmung des Potenzials zwischen Referenzelektrode und Anode oder zwischen Referenzelektrode und Kathode. Die Referenzelektrode ermöglicht somit eine getrennte Bestimmung der Impedanz an der Anode und Kathode, während eine Messung der Impedanz zwischen Anode und Kathode ohne Referenzelektrode eine Überlagerung der Effekte an Anode und Kathode zur Folge haben.
Die Verwendung der Impedanz als Messgröße bietet dabei den Vorteil, dass diese Messgröße technisch sehr einfach und schnell zu bestimmen ist, sodass der hier vorgeschlagenen Ansatz bei einer hohen Genauigkeit der Bestimmung des Zustands der Anode und/oder der Kathode zugleich kostengünstig umgesetzt werden kann. Es braucht lediglich eine Referenzelektrode vorgesehen werden, was sich jedoch technisch einfach und kostengünstig umsetzen lässt.
Ferner wird eine Bestimmungsvorrichtung zum Bestimmen eines Zustandes einer Anode und/oder einer Kathode eines elektrochemischen Energiespeichers, wobei die Bestimmungsvorrichtung die folgenden Merkmale aufweist:

– eine Schnittstelle zum Einlesen zumindest eines erfassten Impedanzwertes der Kathode des elektrochemischen Energiespeichers und/oder zumindest eines Impedanzwertes der Anode des elektrochemischen Energiespeichers, wobei der eingelesene Impedanzwert unter Verwendung der Referenzelektrode bestimmt wurde, die sich von der Anode und der Kathode des elektrochemischen Energiespeichers unterscheidet; und
– eine Ermittlungseinheit, die ausgebildet ist, um einen Zustand der Anode und/oder der Kathode unter Verwendung des Impedanzwertes zu ermitteln.

Die vorliegende Erfindung schafft somit eine Bestimmungsvorrichtung, die ausgebildet ist, um die Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens in entsprechenden Einrichtungen durchzuführen bzw. umzusetzen. Auch durch diese Ausführungsvariante der Erfindung in Form einer Bestimmungsvorrichtung kann die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe schnell und effizient gelöst werden.
Unter einer Bestimmungsvorrichtung kann vorliegend ein elektrisches Gerät verstanden werden, das Sensorsignale verarbeitet und in Abhängigkeit davon Steuer- und/oder Datensignale ausgibt. Die Bestimmungsvorrichtung kann eine Schnittstelle aufweisen, die hard- und/oder softwaremäßig ausgebildet sein kann. Bei einer hardwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen beispielsweise Teil eines sogenannten System-ASICs sein, der verschiedenste Funktionen der Bestimmungsvorrichtung beinhaltet. Es ist jedoch auch möglich, dass die Schnittstellen eigene, integrierte Schaltkreise sind oder zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen bestehen. Bei einer softwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen Softwaremodule sein, die beispielsweise auf einem Mikrocontroller neben anderen Softwaremodulen vorhanden sind.
Von Vorteil ist auch ein Computerprogrammprodukt mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger wie einem Halbleiterspeicher, einem Festplattenspeicher oder einem optischen Speicher gespeichert sein kann und zur Durchführung des Verfahrens nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird, wenn das Programmprodukt auf einem Computer oder einer Vorrichtung ausgeführt wird.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann im Schritt des Einlesens ein Impedanzwert eingelesen werden, bei dessen Erfassung ein Stromfluss oder eine Ionenleitung zwischen der Anode und der Kathode herrscht. Unter einer Ionenleitung kann ein Zustand verstanden werden, bei dem Ionen zwischen der Anode und der Kathode bewegt werden, um eine Ladungstrennung zwischen der Anode und der Kathode durchzuführen. Eine derartige Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bietet den Vorteil, dass die Erfassung der Impedanz in der Form eines Impedanzwerts während des Betriebs des elektrochemischen Energiespeichers erfolgen kann, sodass die Erfassung des Zustands der Anode und/oder der Kathode mit einer besonders hohen Genauigkeit möglich ist.
Besonders günstig ist eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der im Schritt des Einlesens ein Impedanzwert eingelesen wird, der unter Verwendung einer Messgröße erfasst wurde, die beim Erfassen des Impedanzwertes eine vorbestimmte, insbesondere änderbare Frequenz aufgewiesen hat. Eine solche Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bietet den Vorteil, durch die Aufnahme des Impedanzwerts unter Verwendung einer Messgröße mit einer vorbestimmten, insbesondere wechselnder Frequenz unterschiedliche Ladungszustände der Anode oder Kathode kompensieren zu können, wodurch sich die Genauigkeit der Bestimmung des Zustands der Anode und/oder Kathode weiter erhöhen lässt.
Ferner kann auch gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung im Schritt des Ermittelns ein Alter der Anode und/oder der Kathode und/oder des elektrochemischen Energiespeichers ermittelt werden, ein Zersetzungszustand der Anode und/oder Kathode und/oder eine Restlebensdauer der Anode und/oder Kathode ermittelt werden. Eine derartige Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bietet den Vorteil, dass durch den speziellen ermittelten Zustand ein genauer Hinweis über den Abnutzungsgrad des elektrochemischen Energiespeichers bzw. der Anode oder Kathode des elektrochemischen Energiespeichers möglich ist.
Um eine übermäßig starke Beanspruchung des elektrochemischen Energiespeichers zu vermeiden, kann eine Entnahme von elektrischer Energie aus dem elektrischen Energiespeicher auch in Abhängigkeit des bestimmten Zustands der Anode und/oder der Kathode und/oder von dem Impedanzwert verhindert oder gesteuert werden. Hierfür kann gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ferner ein Schritt des Veränderns einer elektrischen Größe an der Anode und/oder der Kathode vorgesehen sein, in dem die elektrische Größe in Abhängigkeit von dem Impedanzwert und/oder dem ermittelten Zustand der Anode und/oder Kathode verändert wird. Eine solche elektrische Größe kann beispielsweise ein Potenzial an der Anode und/oder der Kathode, ein Stromfluss über die Anode und/oder die Kathode, eine Spannung zwischen der Anode und/oder der Kathode oder eine ähnliche Größe sein, die einen Einfluss auf die Entnahme von elektrischer Energie aus dem elektrochemischen Energiespeicher hat. Eine solche Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bietet den Vorteil, dass ein aktives Energiespeichermanagement zur Entnahme von Energie aus dem Energiespeicher realisierbar ist, sodass ein Verschleiß des elektrochemischen Energiespeichers reduziert werden kann.
Gemäß einer besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird hier ein elektrochemisches Energiespeichersystem mit einer Anode, einer Kathode und einer von der Anode und der Kathode elektrisch isolierten Referenzelektrode vorgestellt, wobei das elektrochemische Energiespeichersystem ferner eine mit der Anode, der Kathode und der Referenzelektrode gekoppelte Bestimmungsvorrichtung gemäß einer in dieser Beschreibung vorgestellten Variante aufweist. Eine solche Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bietet den Vorteil einer technisch einfachen Realisierung des hier vorgestellten Konzepts und zugleich einem Bereitstellen eines hoch präzisen Messsystems.
Günstig ist ferner eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei dem die Referenzelektrode innerhalb eines Toleranzbereichs um eine Verbindunglinie zwischen Anode und der Kathode, insbesondere in der Mitte auf der Verbindungslinie zwischen der Anode und der Kathode angeordnet ist. Eine solche Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bietet den Vorteil, dass durch die geometrisch zentrale Lage der Referenzelektrode in dem elektrochemischen Energiespeicher die Auswertung des Impedanzwertes bei einer Impedanzmessung der Anode und der Auswertung des Impedanzwertes der Kathode einfacher wird, da beispielsweise auf einen entsprechenden Korrekturfaktor zur Kompensation oder Berücksichtigung der Lage der Referenzelektrode zur Anode bzw. zur Kathode verzichtet werden kann.
Von Vorteil ist ferner eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der die Referenzelektrode von einem Separator dergestalt umschlossen ist, dass ein ionischer Kontakt zwischen der Anode und der Referenzelektrode und zwischen der Kathode und der Referenzelektrode sichergestellt ist und einen elektrisch leitenden Kontakt zwischen der Anode und der Referenzelektrode und zwischen der Kathode und der Referenzelektrode verhindert ist. Eine solche Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bietet den Vorteil, dass störende parasitäre Kurzschlüsse oder Effekte durch Ionenleitung im Elektrolyt weitgehend vermieden werden können, sodass die gemessene Impedanz in hohem Maße zum Zustand der Anode und/oder Kathode korreliert.
Besonders robust und somit für eine hoch präzise Messung brauchbar kann die Referenzelektrode gemäß dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dadurch ausgestaltet werden, dass sie ein Material aufweist, das Li, Li₄Ti₅O₁₂ und/oder LiFePO₄ umfasst oder dass sie aus zumindest einem dieser Materialien besteht.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
1 ein Blockschaltbild eines Fahrzeugs mit einem elektrochemischen Energiespeichersystem gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
2 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
In der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.
1 zeigt ein Blockschaltbild eines Fahrzeugs 100, welches einen elektrochemischen Energiespeicher 110 sowie eine Bestimmungsvorrichtung 120 gemäß einem Ausführungsbeispiel eines elektrochemischen Energiespeichersystems 122 der vorliegenden Erfindung aufweist. Der elektrochemische Energiespeicher 110 kann beispielsweise als Batterie oder Akkumulator ausgebildet sein und mit einem Fluid wie einer Säure und/oder einem Elektrolyt als Ionenleitungsmedium gefüllt sein. Der in 1 dargestellte elektrochemische Energiespeicher 110 kann auch als einzelne Zelle eines Verbundes von Zellen zum Erhalt eines Energiespeichers mit höherer Spannung oder einer höheren Leistung verstanden werden, ohne dass die Allgemeinheit des hier vorgestellten Ansatzes dadurch verloren geht. Der elektrochemische Energiespeicher 110 umfasst ferner eine Anode 125 sowie eine Kathode 127, zwischen denen eine Spannung abgegriffen werden kann und/oder zwischen denen ein Stromfluss bewirkt werden kann, um beispielsweise einen Elektromotor 130 des Fahrzeugs 100 zu betreiben. Der Elektromotor 130 kann beispielsweise ein Verbrennungsmotor sein, der in der 1 nicht dargestellt ist oder auch ein Fahrzeugantriebsmotor sein, wenn das Fahrzeug 100 aus 1 ein Elektrofahrzeug ist. Weiterhin weist der elektrochemische Energiespeicher 110 eine Referenzelektrode 135 auf, die durch einen Separator 137 elektrisch von einer Umgebung der Referenzelektrode 135 getrennt ist. Durch den Separator 137 wird beispielsweise lediglich sichergestellt, dass Ionen ein zwischen der Referenzelektrode 135 und dem die Anode 125 und/oder die Kathode 127 umgebenden Fluid passieren können. Der Separator 137 kann günstigerweise auf einer Verbindungslinie, insbesondere in der Mitte zwischen der Anode 125 und der Kathode 127 angeordnet sein, um einen möglichst gleich großen Abstand sowohl zur Anode 125 als auch zur Kathode 127 zu haben. Dies erleichtert die Bestimmung des Impedanzwertes, da eine Abhängigkeit des Impedanzwerts von einem ungleichen Abstand zwischen der Anode 125 und der Referenzelektrode 135 bzw. der Kathode 127 und der Referenzelektrode 135 weitgehend entkoppelt werden kann.
Die Bestimmungsvorrichtung 120, die auch als Bestimmungseinheit bezeichnet werden kann, weist eine Schnittstelle 140 auf, über welche die Anode 125, die Kathode 127 und die Referenzelektrode 137 elektrisch kontaktierbar sind und ein Impedanzwert bestimmbar ist. Dabei kann beispielsweise zwischen der Anode 125 und der Referenzelektrode 135 eine elektrische Spannung mit einer vorbestimmten Frequenz bzw. sich einer entsprechend einem vorbestimmten Muster verändernden Frequenz angelegt werden, wobei ein Stromfluss zwischen der Anode 125 und der Kathode 127 erfasst und einen Impedanzwert 142 berechnet und für eine Ermittlungseinheit 145 der Bestimmungseinheit 120 eingelesen wird. Aus dem Impedanzwert 142 kann dann der Zustand der Anode 125, beispielsweise ein Korrosionszustand, ein Grad der Bedeckung der Anode 125 mit einem Abdeckungsmaterial oder ein Alter der Anode 125 sehr präzise erfasst werden, da eine Veränderung des Impedanzwerts 142 in diesem Fall nahezu ausschließlich auf einer Veränderung des Zustands der Anode 125 basiert. Dies ist dadurch bedingt, dass zwischen der Anode 125 und der Kathode 127 während dem Betrieb des Elektromotors 130 teilweise hohe Ströme fließen, die Abnutzungserscheinungen an Anode 125 und/oder Kathode 127 hervorrufen, nicht jedoch an der Referenzelektrode 135, die nicht zur Energieentnahme aus dem Energiespeicher 110 vorgesehen ist.
Alternativ oder zusätzlich kann natürlich auch eine Messgröße wie beispielsweise eine Spannung zwischen der Referenzelektrode 135 und der Kathode 127 angelegt werden und ein Stromfluss zwischen der Kathode 127 und der Anode 125 in der Schnittstelle 140 erfasst werden. Aus der zwischen der Referenzelektrode 125 und der Kathode 127 angelegten Spannung, die beispielsweise ebenfalls mit einer vorbestimmten Frequenz oder gemäß einem vorbestimmten Muster veränderten Frequenz angelegt wird, und dem Stromfluss zwischen Kathode 127 und Anode 125 kann somit in der Schnittstelle 140 ein Impedanzwert 142 ermittelt und für die Übertragung an die Ermittlungseinheit 145 bestimmt werden, woraus eine Information 150 über den Zustand der Kathode 127 ermittelt wird. Dieser Zustand der Kathode 127 kann dabei, analog zur sehr präzisen Erfassung des Zustands der Anode 125, auch sehr präzise erfasst werden, da der Impedanzwert fast ausschließlich vom Zustand der Kathode 127 abhängt, nicht jedoch vom Zustand der für die eigentliche elektrische Funktion des elektrochemischen Energiespeichers 110 wenig bedeutsamen Referenzelektrode 135. Die Referenzelektrode 135 wird somit nahezu unverbraucht sein und kann für die Messung des Impedanzwerts 142 als „neuwertig“ betrachtet werden. In der Ermittlungseinheit 100 kann der Zustand der Anode 125 und/oder der Kathode 127 durch einen Vergleich mit zumindest einem Impedanzwert 142 erfolgen, der für eine neuwertige Anode 125 respektive eine neuwertige Kathode 127 aufgezeichnet wurde. Aus dem Ergebnis dieses Vergleichs kann in der Ermittlungseinheit dann eine Information über den aktuellen Zustand der Anode 125 und/oder der Kathode 127 gezogen werden und in einer entsprechenden Information 150 ausgegeben werden. In der Ermittlungseinheit 145 kann somit ein Vergleich zwischen unterschiedlichen Impedanzwerten 142, insbesondere ein Vergleich zwischen unterschiedlichen Impedanzspektren ausgeführt werden, um den Zustand der Anode 125 bzw. den Zustand der Kathode 127 zu ermitteln. Solche Impedanzspektren stellen dabei Impedanzwerte dar, die unter Verwendung einer Messgröße mit veränderlicher Frequenz aufgezeichnet wurde.
Gegenüber dem Stand der Technik, in dem keine Referenzelektrode 135 verwendet wird, lässt sich nun separat die Impedanz der Anode 125 bzw. der Kathode 127 und damit der Zustand der Anode 125 und/oder der Zustand der Kathode 127 deutlich präziser bestimmen, als dies durch die Bestimmung der Impedanz 142 zwischen der Anode 125 und der Kathode 127 ohne die Verwendung der Referenzelektrode 135 möglich wäre. In diesem Fall hat man immer eine Überlagerung der Zustände von Anode und Kathode.
Weiterhin ist es auch denkbar, dass eine Energiespeichermanagementeinheit 160 vorgesehen ist, die ansprechend auf einen ermittelten Zustand 150 der Kathode 127 und/oder Anode 125 bzw. eine Information 150 über einen Zustand der Anode 125 und/oder der Kathode 127 die Entnahme von elektrischer Energie aus dem elektrochemischen Energiespeicher 110 steuert, beispielsweise unter Verwendung einer Schalteinheit 170. Denkbar ist beispielsweise, dass bei einem erkannten hoch korrodierten Zustand der Anode 125 und/oder der Kathode 127 ein Stromfluss über diese korrodierte Anode 125 bzw. Kathode 127 verringert wird, sodass ein weiterer Alterungsprozess der Anode 125 bzw. der Kathode 127 verlangsamt wird.
Die Aufnahme und Auswertung eines vorstehend ermittelten Impedanzspektrums stellt somit einen Ansatz dar, der On-Board, d. h. im Fahrzeug 100, ausgeführt werden kann. Aus der Veränderung des lmpedanzspektrums 142 können zuverlässig Rückschlüsse auf den Anstieg der Impedanz der Zellen in dem elektrochemischen Energiespeicher 110 geschlossen werden, die bei einer Alterung der Elektrode 125 bzw. 127 auftritt. Das Impedanzspektrum 142 einer der Zellen überlagert jedoch Informationen von beiden Elektroden (Anode 125 und Kathode 127). Durch Einführung einer weiteren Elektrode 135 (Referenzelektrode) ist eine getrennte impedanzspektroskopische Untersuchung beider Elektroden 125 und 127 möglich und es lässt sich der SOH beider Elektroden 125 bzw. 127 beurteilen und nicht nur der SOH der Gesamtzelle. Damit lassen sich auch gezielt Gegenmaßnahmen einleiten, um die Zelllebensdauer zu verbessern.
Insbesondere können einige Vorteile durch die getrennte Charakterisierung von Anode 125 und/oder Kathode 127 mittels Impedanzspektroskopie realisiert werden. Zunächst ist anzumerken, dass der Zustand (SOH) von Anode 125 und/oder Kathode 127 bestimmt werden können; damit lassen sich gezielt Änderungen in der Betriebsstrategie der Batterie vornehmen (z. B. Betrieb in einem reduzierten Spannungsbereich, Betrieb bei verringerten bzw. veränderten Maximaltemperaturen), um die Lebensdauer des Energiespeichers 110 zu verlängern. Ferner lassen sich mit getrennten Informationen über Anode 125 und/oder Kathode 127 präzisere Lebensdauerprognosen über die Lebensdauer des Energiespeichers 110 abgeben als nur mit Informationen der Gesamtzelle. Die Impedanzspektroskopie als Diagnosemethode ist On-Board anwendbar und kann in das Batteriemanagementsystem 160 integriert werden. Auch lassen sich neben dem SOH auch der SOC beider Elektroden durch die impedanzspektroskopische Untersuchung gewinnen. Damit kann sichergestellt werden, dass sich beide Elektroden in einem optimalen Potentialbereich bewegen.
Für die getrennte Charakterisierung von Anode und Kathode mittels Impedanzspektroskopie wird vorliegend die Einführung einer dritten Elektrode als Referenzelektrode 135 in die Zelle 110 vorgeschlagen. Diese Referenzelektrode 125 sollte über den Elektrolyten in ionischem Kontakt mit Anode 125 und Kathode 127 sein, darf jedoch keinen elektrischen Kontakt zu Anode 125 oder Kathode 127 haben. Optimalerweise befindet sich eine Referenzelektrode 135 zwischen Anode 125 und Kathode 127 und wird beispielsweise von einem Separator 137 umschlossen, um keinen elektrischen Kontakt zu Anode 125 und Kathode 127 herzustellen. Für die Aufnahme eines Impedanzspektrums 142 der Anode 125 wird die Spannungskontrolle zwischen Anode 125 und Referenzelektrode 135 bewerkstelligt, während ein Stromfluss zwischen Anode 125 und Kathode 127 stattfindet. Für die Aufnahme des Impedanzspektrums 142 der Kathode 127 wird die Spannungskontrolle zwischen Kathode 127 und Referenzelektrode 135 bewerkstelligt, während ein Stromfluss wiederum zwischen Kathode 127 und Anode 125 stattfindet.
Als Referenzelektrode 135 können zumindest teilweise Materialien mit einem stabilen Potenzial gewählt werden, für Li-Ionen-Batterien sind dies beispielsweise Li, Li₄Ti₅O₁₂, LiFePO₄. Die Verwendung eines derartigen Materials für die Referenzelektrode 125 stellt sicher, dass die Referenzelektrode 135 chemisch weitgehend stabil ist und somit keine Veränderungen der Messung bzw. Messergebnisse durch Veränderungen der Referenzelektrode 135 verursacht werden.
Als Alternative zur Aufnahme eines kompletten Impedanzspektrums 142 für Anode 125 und Kathode 127 über den gesamten gewünschten Frequenzbereich kann auch die Impedanz 142 für eine bestimmte Frequenz oder in einem limitierten Frequenzbereich bestimmt werden, beispielsweise wenn es aus Erfahrungswerten klar ist, dass in diesem Bereich eine Alterung der Anode 125 bzw. der Kathode 127 stattfindet.
Die Methode der impedanzspektroskopischen Charakterisierung der einzelnen Elektroden lässt sich in einem Batteriemanagementsystem 160 einer Autobatterie einsetzen. Prinzipiell können damit nicht nur Li-Ionen-Akkumulatoren charakterisiert werden, sondern auch andere Batterien, beispielsweise Ni-Metallhydrid und Pb-Akku.
2 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung als Verfahren 200 zum Bestimmen eines Zustandes einer Anode und/oder einer Kathode eines elektrochemischen Energiespeichers. Das Verfahren 200 umfasst einen Schritt des Einlesens 210 zumindest eines erfassten Impedanzwertes der Kathode des elektrochemischen Energiespeichers und/oder zumindest eines Impedanzwertes der Anode des elektrochemischen Energiespeichers, wobei der eingelesene Impedanzwert unter Verwendung der Referenzelektrode bestimmt wurde, die sich von der Anode und der Kathode des elektrochemischen Energiespeichers unterscheidet. Weiterhin umfasst das Verfahren 200 einen Schritt des Ermittelns 220 eines Zustandes der Anode und/oder der Kathode unter Verwendung des zumindest einen Impedanzwertes.
Die beschriebenen und in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele sind nur beispielhaft gewählt. Unterschiedliche Ausführungsbeispiele können vollständig oder in Bezug auf einzelne Merkmale miteinander kombiniert werden. Auch kann ein Ausführungsbeispiel durch Merkmale eines weiteren Ausführungsbeispiels ergänzt werden.
Ferner können erfindungsgemäße Verfahrensschritte wiederholt sowie in einer anderen als in der beschriebenen Reihenfolge ausgeführt werden.
Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine „und/oder“-Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so ist dies so zu lesen, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102004024973 A1 [0003]

Claims

Verfahren (200) zum Bestimmen eines Zustandes einer Anode (125) und/oder einer Kathode (127) eines elektrochemischen Energiespeichers (110), wobei das Verfahren (200) die folgenden Schritte aufweist: – Einlesen (210) zumindest eines erfassten Impedanzwertes (142) der Kathode (127) des elektrochemischen Energiespeichers (110) und/oder zumindest eines Impedanzwertes (142) der Anode (125) des elektrochemischen Energiespeichers (110), wobei der eingelesene Impedanzwert (142) unter Verwendung der Referenzelektrode (135) bestimmt wurde, die sich von der Anode (125) und der Kathode (127) des elektrochemischen Energiespeichers (110) unterscheidet; und – Ermitteln (220) eines Zustandes (150) der Anode (125) und/oder der Kathode (127) unter Verwendung des zumindest einen Impedanzwertes (142).
Verfahren (200) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt des Einlesens (210) ein Impedanzwert (142) eingelesen wird, bei dessen Erfassung ein Stromfluss oder eine Ionenleitung zwischen der Anode (125) und der Kathode (127) herrscht.
Verfahren (200) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt des Einlesens (210) ein Impedanzwert (142) eingelesen wird, der unter Verwendung einer Messgröße erfasst wurde, die beim Erfassen des Impedanzwertes eine vorbestimmte, insbesondere variierbare Frequenz aufgewiesen hat.
Verfahren (200) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt des Ermittelns (220) ein Alter der Anode (125) und/oder Kathode (127) und/oder des elektrochemischen Energiespeichers (110) ermittelt wird, ein Zersetzungszustand der Anode (125) und/oder Kathode (127) und/oder eine Restlebensdauer der Anode und/oder Kathode ermittelt wird.
Verfahren (200) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ferner ein Schritt des Veränderns einer elektrischen Größe an der Anode (125) und/oder der Kathode (127) vorgesehen ist, in dem die elektrische Größe in Abhängigkeit von dem Impedanzwert (142) und/oder dem ermittelten Zustand (150) der Anode (125) und/oder Kathode (127) verändert wird.
Bestimmungsvorrichtung (120) zum Bestimmen eines Zustandes (150) einer Anode (125) und/oder einer Kathode (127) eines elektrochemischen Energiespeichers (110), wobei die Bestimmungsvorrichtung (120) die folgenden Merkmale aufweist: – eine Schnittstelle (140) zum Einlesen eines erfassten Impedanzwertes (142) der Kathode (127) des elektrochemischen Energiespeichers (110) und/oder eines erfassten Impedanzwertes (142) der Anode (125) des elektrochemischen Energiespeichers (110), wobei der eingelesene Impedanzwert (142) unter Verwendung der Referenzelektrode (135) bestimmt wurde, die sich von der Anode (125) und der Kathode (127) des elektrochemischen Energiespeichers (110) unterscheidet; und – eine Ermittlungseinheit (145), die ausgebildet ist, um den Zustand (150) der Anode (125) und/oder der Kathode (127) unter Verwendung des Impedanzwertes (142) zu ermitteln.
Computer-Programmprodukt mit Programmcode zur Durchführung des Verfahrens (200) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wenn das Programmprodukt auf einer Vorrichtung (120) ausgeführt wird.
Elektrochemische Energiespeichereinheit (122) mit einer Anode (125), einer Kathode (127) und einer von der Anode (125) und der Kathode (127) elektrisch isolierten Referenzelektrode (135), wobei der elektrochemische Energiespeicher (110) ferner eine mit der Anode (125), der Kathode (127) und der Referenzelektrode (135) gekoppelte Bestimmungsvorrichtung (120) gemäß Anspruch 6 aufweist.
Elektrochemische Energiespeichereinheit (122) gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzelektrode (135) innerhalb eines Toleranzbereichs um eine Verbindungslinie zwischen Anode (125) und der Kathode (127), insbesondere in der Mitte auf der Verbindungslinie zwischen der Anode (125) und der Kathode (127) angeordnet ist.
Elektrochemische Energiespeichereinheit (122) gemäß einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzelektrode (135) einen Separator (137) aufweist, der ausgebildet ist, um einen ionischen Kontakt zwischen der Anode (125) der Referenzelektrode (135) und/oder zwischen der Kathode (127) und der Referenzelektrode (135) sicherzustellen und/oder einen elektrisch leitenden Kontakt zwischen der Anode (125) der Referenzelektrode (135) und zwischen der Kathode (127) und der Referenzelektrode (135) zu verhindern.
Elektrochemische Energiespeichereinheit (122) gemäß einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzelektrode (135) zumindest teilweise ein Material aufweist, das Li, Li₄Ti₅O₁₂, LiFePO₄ umfasst.